CCD航空相机用长寿命帘幕式快门

曲国志， 刘海英

(中国兵器工业集团第二二八厂，长春 130103)

0 引言

航空相机是装载在飞机上以摄取地表景物来获取地面目标的光学仪器［1－3］，而快门是航空相机的重要部件，其性能指标、可靠性及使用寿命，对相机的成像质量、图像灰度均匀性以及相机的维修性均有重要影响。航空相机快门由于其通光孔径较大，可采用的快门一般有两种，即片板式镜间快门和帘幕式焦面快门。片板式快门曝光前需要机械上紧，然后瞬间释放，使叶片翻转，达到曝光目的，由于叶片的快速翻转，对快门产生冲击，影响快门使用寿命，而且噪音大，故障率较高，可靠性差，使用寿命一般在4万次左右，其通光效率只有45%左右，而且由于存在衍射效应，对成像质量影响较大，一般可使相机分辨率降低20%。由于存在上述缺陷，这种快门在CCD航空相机中不宜采用。帘幕式焦面快门本身具有通光效率高，对成像质量影响小，易于实现快速曝光等优点，已经被美国的很多相机采用，如KS146型号航空相机，国内的某些画幅相机也是采用帘幕式快门。传统的该类型快门，结构较为复杂，且需要用齿轮组传动，电磁铁吸合，以及易老化和磨损的非金属帘幕材料等，因此仍存在故障率相对较高，使用寿命相对较短(一般在10万次左右)等问题，满足不了CCD相机对快门的使用要求。

本文介绍了一种新型帘幕式焦面快门，该快门的特点是结构相对简单，帘幕采用金属材料，用齿带传动取代齿轮传动，不使用电磁铁，大幅度提高了快门的可靠性和使用寿命。在电控上应用了DSP+FPGA的控制系统方案，利用FPGA的容量大、可编程实现很多功能，结合DSP具有高速的信息处理能力的特点，使得控制系统非常简洁，控制精度高，通用性强，系统也易于维护和扩展。使用寿命预计可达30万次以上，其性能指标达到国内领先水平。

1 快门构成及工作原理

1.1 快门构成

快门主要由伺服电机、帘幕、控制电路以及齿形传动带、卷辊等结构组合构成，如图1所示。

图1 帘幕式快门结构示意图Fig.1 Structure of curtain-type shutter

1.2 工作原理［7－9］

帘幕采用金属的钛箔材料，分为上下两层，两层帘幕均有开口，两端分别缠绕在对应的卷辊上。快门曝光时，电机1、2通过齿形传动带，分别快速带动卷辊1、2，卷辊1、2带动其上缠绕的帘幕1、2同步运动，光线通过两帘幕形成的一定宽度的狭缝照射到相机焦面上，实现顺次曝光。狭缝宽度可通过改变两个电机的相对转角进行调整，在扫描速度恒定的情况下，用以实现曝光时间的改变，从而实现对曝光量的调节。电机正转曝光一次，反转曝光一次。

快门电控原理框图如图2所示。

图2 快门电控原理框图Fig.2 Control principle of the shutter

该控制系统主要由 DSP、FPGA、A/D、D/A、EEPROM存储单元、实时钟、接口电路及程序存储器组成。由DSP、FPGA主控模块输出控制信号，接收电机驱动板反馈帘幕的速度和位置信号，通过相应算法实时调控快门帘幕速度信号，确保达到快门两帘幕同步性指标;由EEPROM存储单元记录快门的曝光次数。

2 快门传动组件及电机组件设计

2.1 快门传动组件设计

快门的机械传动部分是快门工作的执行机构，由于快门有前、后两层帘布，在曝光过程中，两层帘布同时等速运动。因此，快门机械传动部分采取两层传动机构分别实现前、后两层帘布的运动。快门的传动部分包括带轮、传动带、辊轴组等，辊轴组都是刚性设计，保证双帘门在较高速度下保持曝光连贯平稳，电机轴与门帘轴传速比1.4∶1。门帘轴直径 D=36 mm。在辊轴组与带轮之间，加装可调节张力的弹簧，用以平衡帘门在运动过程中所受到的张力。焦面快门不需要机械上紧，曝光速度通过传动装置，直接由电机控制，噪音小、可靠性高、寿命长。

2.2 快门电机组件设计

长寿命帘幕式焦面快门使用的电机组，由于对其运行平稳性、快速启动性、同步性和使用寿命有特殊要求，所以采用特殊定制的直流无刷电机组。该电机组额定转速达8000 rpm，额定转矩(最大连续转矩)为65.3 mNm;机械时间常数仅为5 ms，电机组同步性可达99%，快门电机组件的控制主要包括电机转速控制信号采样电路、旋变结算电路、DSP电路、逻辑缓冲电路、位置和速度信号的模拟输出电路和RS422输出电路。

3 快门主要性能指标

3.1 通光孔径

本文所述快门的通光孔径，按目前国际上最大的10 K×10 K面阵CCD芯片设计，其通光孔径93*93 mm2。

3.2 有效曝光时间

快门的有效曝光时间在1/1200～1/150 s范围内连续可调。

3.3 通光效率

帘幕式焦面快门的通光效率为

式中:L0为帘幕到光敏面的距离，设计为6 mm;b为狭缝宽度，设计为2～16 mm连续可调(帘幕速度设计为2400 mm/s);D/f′为相机相对孔径。

表1为相对孔径取1∶5.6时，快门的通光效率。对应不同的相对孔径，快门通光效率见表1。

表1 相机相对口径和快门通光效率关系的对应表Table 1 Relationship between relative aperture of camera and optical transmittance efficiency of shutter

由表1可知，快门的通光效率在常用的曝光时间范围内可达到80%以上。

3.4 曝光均匀性［4－6］

快门对曝光均匀性的影响程度取决于有效曝光时间的控制精度。有效曝光时间与狭缝宽度和快门速度的关系式为

式中:v为帘幕速度;b为狭缝宽度;t有效为快门有效曝光时间。

由上式导出有效曝光时间的均方根误差为

式中:δv为快门电机在一帧图像曝光时间内的速度误差，可控制在2‰以内;δb为狭缝宽度控制误差，可控制在0.12 mm以内。

经计算，有效曝光时间误差理论计算分别为:0.75%(1/150 s);1.5%(1/300 s);3.0%(1/600 s);6.0%(1/1200 s)。

4 快门的性能测试

在标准试验条件下，利用专用的快门测试仪对长寿命焦面快门的性能指标进行了测试，测试结果表明快门的各项性能指标达到设计指标要求。

4.1 快门两帘幕位置同步性测试

由快门测试仪，将帘幕速度控制在2400 mm/s，帘幕狭缝宽度控制在2 mm，帘幕扫描CCD光敏面时间为40 ms，快门曝光时间为1/1200 s，根据电机驱动控制板反馈的帘幕位置信号，经测定控制两帘幕同步性达到了99%。快门测试仪检测快门帘幕经过CCD光敏面的位置信号曲线如图3所示。

图3 帘幕位置信号曲线图Fig.3 Signal curve of curtain position

4.2 快门精度测试

帘幕快门曝光量在1/1200～1/150 s范围内连续可调。在快门测试仪控制下，将帘幕速度控制在2400 mm/s，帘幕狭缝宽度控制在 2 mm、4 mm、6 mm、8 mm和16 mm时，为观测曝光时间在幅面内各点的精度，每当测量时在画幅内均匀地选择7个位置，进行5次测量，测试结果如表2所示(实测曝光时间的测试均为画幅内均匀地选择7个位置，进行5次测量的平均值)。曝光时间试验测试结果如表2。

表2 曝光时间试验测试结果Table 2 Result of exposure time test

4.3 快门的使用寿命测试

在快门测试仪的控制下，将帘幕速度控制在2400 mm/s，对焦面快门进行寿命测试，通过读取EEPROM存储单元记录快门的曝光次数可知，快门曝光次数已经超过30万次，且快门结构运转灵活，帘幕完好，电控系统自检正常，试验数据说明，长寿命焦面快门达到曝光次数30万次的设计指标要求。

5 结论

介绍了航空相机用长寿命帘幕式焦面快门的设计原理和控制原理，快门结构设计简单无光耦、无齿轮传动和无制动措施，帘幕采用金属的钛箔材料，保障了快门的使用寿命，结构设计巧妙新颖;且采用特殊定制的电机组件和DSP电控系统，使系统的控制精度达到最高。通过试验表明快门的使用寿命已经超过30万次，且曝光精度误差小，其性能指标已达到国内先进水平。

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